1 概述

冷库是冷链物流的重要组成环节, 随着经济的快速发展和生活水平的逐步提高, 人们对冷冻冷藏食品的需求越来越高。我国现有冷库容量严重不足, 技术水平和效率低下, 占地大、利润低[1]。自动化立体冷库具有占地少、节省人工支出、效率高、用电量底、节能减排、市场竞争力强等优势, 具有非常广阔的发展前景[2]。现有的自动化立体冷库, 制冷系统的设计沿用传统方法[3], 即采用冷风机或者顶排管对整个冷库降温。由于冷库的低温环境, 使用的各种机械设备和控制元件如电机、滑触线、认址装置、条码阅读器等均需采用低温专用产品, 所有设备的设计均要考虑防冻、防水等需求, 增加了设计难度和初投资[4]。对于自动化立体冷库来说, 附加设备 (立体货架、自动堆垛机、电瓶叉车、进出货机) 多, 重量大, 若直接对整个库体降温, 附加设备势必消耗冷量, 造成能源的巨大浪费。况且, 自动设备大部份采用钢材料制作, 在低温环境下工作容易发生冷脆, 不能保证自动设备的高效运行。

针对上述问题, 设计一种风冷式冷藏保温箱, 专用于自动化立体仓库中, 在立体化仓库中设计送风和回风管道, 采用风道送风方式对冷藏保温箱进行降温, 而立体仓库中的温度保持正常。冷藏保温箱经过特殊设计, 由自动堆垛机输送到货架上, 通过电路设计对冷藏保温箱进行送风。自动化立体仓库和风冷式冷藏保温箱结合使用, 不仅可以简化自动化立体冷库设计、减小能耗和初投资, 保证自动设备高效运行, 还能实现生鲜食品的“门对门”运输, 提高生鲜食品运输效率。

送风量大小对风冷式冷藏保温箱来说至关重要, 送风量太大, 制冷系统配置较大, 初投资高, 送风量小, 冷藏保温箱降温时间又过长。本文建立送风实验台, 模拟风冷式冷藏保温箱送风过程, 记录实验过程冷藏保温箱内的温度变化, 建立冷藏保温箱降温时间数学模型, 计算风冷式冷藏保温箱最佳送风量。

2 实验设备、仪器与方法

冷藏保温箱外部尺寸长×宽×高为1.3m×0.75m×0.9m, 保温材料采用50mm厚硬质聚氨酯泡沫塑料, 内、外表面采用1.2mm厚不锈钢板, 箱体侧面开送风孔和回风孔, 箱体底部安装电源插头。

实验制冷装置包括泰康CAJ9480TMH型号压缩冷凝机组、冷风机、保温箱体。恒温恒湿环境室长×宽×高为2.8m×2.8m×2.5m, 温度调节范围为10~35℃, 控制精度为±0.5℃。冷藏保温箱放在恒温恒湿环境室内, 冷风机放在保温箱体内, 保温箱体外接直径60mm的PVC送、回风管道, 送、回风管道上安装电动风阀, 送、回风管道与冷藏保温箱送、回风孔相连接, 冷风机与保温箱体内空气进行热交换, 冷空气通过送风管道进入冷藏保温箱内, 带走冷藏保温箱内热量, 通过回风管道再次回到保温箱体。使用此实验装置模拟冷藏保温箱风道送风过程, 通过调节保温箱体内温度和空气风速控制送风温度和风量。

温度采用铜-康铜T型热电偶和横河YOK-OGAWA型GP20无纸记录仪进行测量和记录, 保温箱内均匀布置6个热电偶, 门封四周均匀布置12个热电偶。送风管道安装有德国Testo425热敏风速计, 测试送风速度, 计算冷藏保温箱送风量。

冷藏保温箱温度设置0~2℃, 送风温度设为-3℃, 相对湿度为80%, 送风量设为0.018m3/s, 环境温度30、20、10℃时, 测试冷藏保温箱内温度变化和冷藏保温箱门封四周温度。

图1 实验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of experiment set-up 

1.电磁阀2.储液器3.压缩机4.冷凝器5.冷水机组6.回风阀7.风机盘管8.热力膨胀阀9.冷风机10.进风阀11.冷藏保温箱12.恒温恒湿环境室

3 降温时间分析

3.1 计算模型

由于钢板导热系数和热扩散率很大, 隔热材料硬质聚氨酯泡沫塑料导热系数和热扩散率小, 假设冷藏保温箱体内壁面钢板和箱体内温度变化率相同, 聚氨酯保温材料温度不随保温箱温度发生变化。将钢板和整个箱体内部看成一个整体系统, 根据热平衡[7], 建立冷藏保温箱降温时间数学模型。

式中:C-比热容[J/ (kg.k) ];

m-质量 (kg) ;

dtn/dτ-温度变化率 (℃/s) ;

KO-箱体漏热系数 (W/ (m2·℃) ) ;

A-箱体传热面积 (m2) ;

ts-环境温度 (℃) ;

tn-冷藏保温箱温度 (℃) ;

qm-送风质量 (kg/s) ;

ht-送风焓值 (J/kg) ;

hn-回风焓值 (J/kg) ;

tn0-冷藏保温箱初始温度 (℃) ;

tn1-冷藏保温箱终止温度 (℃) 。

3.2 箱体漏热系数测试

冷藏保温箱漏热测试[6]采用热源法, 冷藏保温箱放在恒温恒湿环境室中, 加热器置于冷藏保温箱内。恒温恒湿环境室室温设为30℃, 冷藏保温箱内温度设定50℃, 距箱体内、外表面100mm处, 分别均匀设置12个热电偶。每10min记录一组数据, 连续记录时间不少于10h, 记录期间开启加热器。利用加热器和其配用风扇耗用的总功率与经由箱体耗散的热流率相等关系, 计算冷藏保温箱漏热系数, 如式 (4) 所示。

箱体维护结构传热系数的计算如式 (5) 所示:

保温冷藏保温箱门使用封条密封, 门封和箱体之间会留有微小缝隙, 所以, 冷藏保温箱漏热量包括两部分:维护结构传热量和通过门封的传热量, 通过求取门封传热量占总漏热量的比例, 可知门封漏热率大小, 箱体门封漏热率计算为:

式中, K-维护结构传热系数W/ (m2·℃) ;

E-门缝漏热率 (%) ;

Q-加热器和风扇总功率 (W) ;

αw-箱体外表面传热系数W/ (m2·℃) ;

αn-箱体内表面传热系数W/ (m2·℃) ;

δ-保温材料厚度 (m) ;

λ-保温材料导热系数W/ (m2·℃) 。

经计算:箱体漏热系数KO=0.443 W/ (m2·℃) , 维护结构传热系数K≈0.41 W/ (m2·℃) , 箱体门封漏热率E=7.45%。国际标准化组织 (ISO) 对于机械式冷藏集装箱漏热率规定小于0.4 kcal/ (m2·h·℃) 即0.465 W/ (m2·℃) , 冷藏保温箱漏热率符合ISO要求。

冷藏保温箱体漏热系数是在聚氨酯保温材料未老化情况下测试的, 聚氨酯保温材料的使用寿命长达数十年, 在冷藏保温箱使用过程中, 聚氨酯保温材料容易受温度、湿度、光照、氧气和水等因素的影响会发生老化, 降低其保温性能, 实际使用中其导热系数低于理论值[5]。根据SBJ 17-2009《室外装配冷库设计规范》, 聚氨酯泡沫塑料导热率修正系数为1.4, 计算可知, 实际使用过程60mm厚聚氨酯保温材料制作的冷藏保温箱与实验过程50mm厚聚氨酯保温材料制作的冷藏保温箱漏热系数相当, 冷藏保温箱实际应用制作应加厚10mm。

3.3 计算结果

冷藏保温箱空箱, 环境温度为30、20、10℃时, 送风温度为-3℃, 送风量为0.018m3/s, 箱内温度变化如图2所示。冷藏保温箱首次降温过程, 随时间的增加, 箱内温度降低速率越来越慢;箱内温度在0~2℃之间波动时, 其升降温曲线近似呈线性变化。冷藏保温箱首次降温过程中, 随着箱内温度的降低, 送回风温差减小, 送风过程冷量减小;箱体内外传热温差增加, 维护结构传热量增加, 所以箱内温度降低速率越来越慢。另外, 箱内温度变化幅度小, 送回风温差变化小, 送风冷量和维护结构传热量变化都不大, 所以箱内温度变化速率基本相同, 温度随时间呈近似线性变化。

图2 冷藏保温箱温度变化Fig.2 Temperature change of refrigerated container 

实验条件下, 根据式 (3) 计算冷藏保温箱从环境温度降到0℃的首次降温时间和由2℃到0℃的降温时间, 如表1、2所示。表中显示, 冷藏保温箱首次降温时间和2℃到0℃的降温时间计算值与实验结果相比偏小, 主要原因是冷藏保温箱降温时间数学模型忽略了降温过程保温材料的温度波动。冷藏保温箱首次降温时间计算值与实验值的最大误差为6.93%, 平均误差为5.77%;从2℃到0℃的降温时间计算值与实验值的最大误差为6.15%, 平均误差为5.28%。为了提高模型计算精度, 使用修正公式Δτ*=1.05Δτ, 式中Δτ*为降温时间修正值, 由此计算冷藏保温箱在不同送风量下的首次降温时间和从2℃到0℃的降温时间。

表1 冷藏保温箱首次降温时间Tab.1 Cooling time of refrigerated container for the first time  

表2 冷藏保温箱2~0℃的降温时间Tab.2 Cooling time of refrigerated container from 2 to 0℃

4 最佳送风量

冷藏保温箱降温时间与环境温度、送风量、储藏货物量相关, 储藏货物量和环境温度一定时, 冷藏保温箱降温时间随送风量的增加而变短。送风量大小对冷藏保温箱来说至关重要, 送风量大, 冷藏保温箱容易降温, 但制冷系统配置较大, 初投资增加。使用修正公式计算冷藏保温箱在不同送风量下的降温时间, 确定最佳送风量。不同送风量下, 冷藏保温箱首次降温时间计算结果如图3所示, 不同送风量下冷藏保温箱从2℃到0℃的降温时间计算结果如图4所示。

从图3、图4可以看出, 冷藏保温箱从环境温度降到0℃的降温时间和从2℃到0℃的降温时间随送风量的变化规律相似, 送风量增大, 冷藏保温箱降温时间变短, 而降温时间的减小幅度也越来越小。环境温度较高时, 降温时间变化较明显, 降温时间减小幅度大于低温环境下降温时间的减小幅度。高环境温度下, 送风量大于0.021m3/s, 降温时间的减小幅度明显减小。送风量为0.021m3/s, 环境温度30℃, 冷藏保温箱空箱首次降温时间约78min, 从2℃到0℃的降温时间约28min。冷藏保温箱装满货物时, 由于货物容量影响, 冷藏保温箱降温时间增加, 根据经验, 冷藏保温箱降温时间增加到3倍左右, 装满货物的冷藏保温箱首次降温时间约4h, 从2℃到0℃的降温时间约1.5h, 降温时间相对不长。因此, 综合考虑降温时间和初投资, 冷藏保温箱送风量选择0.021m3/s较为合适。

图3 冷藏保温箱首次降温时间Fig.3 Cooling time of refrigerated container for the first time  

图4 冷藏保温箱2~0℃的降温时间Fig.4 Cooling time of refrigerated container from 2 to 0℃   

5 门封结露

冷藏保温箱门封四周热电偶布置见图5, 箱内温度为0℃, 环境温度为10、20、30℃时, 门封各处温度结露临界相对湿度如表3所示。从表中可以看出, 门封右边测点4#、5#、6#、7#、8#处温度与环境温度相差很小, 密封性良好, 门封左边测点1#、2#、3#、9#、10#、11#、12#处温度与环境温度相差很大, 说明门封四周密封不均匀。门封左边测点12#处温度最低, 环境温度在10、20、30℃下, 其结露临界相对湿度分别为64.4%、64.9%、52.1%。阴雨天气, 空气相对湿度通常高于60%, 门封结露可能性较大。门封结露不仅腐蚀冷藏保温箱表面钢结构, 露水从门封渗入箱体还会引起食品腐烂, 对于食品的储藏很不利。冷藏保温箱门封局部漏热严重, 容易结露, 不易觉察, 门封的密封均匀性对冷藏保温箱储藏效果影响很大, 冷藏保温箱应加强门封密闭均匀性的设计工作。

表3 门封温度和结露临界相对湿度Tab.3Temperature and critical relative humidity of dew condensation beside door seal 

图5 门封热电偶布置图Fig.5 Thermo-couples arrangement around door seal   

6 结论

本文模拟冷藏保温箱风道送风过程, 测试冷藏保温箱内的温度变化, 建立冷藏保温箱降温时间模型, 计算冷藏保温箱最佳送风量, 测试门封各处温度, 查询临界结露相对湿度, 得出以下结论:

(1) 使用降温时间模型计算冷藏保温箱降温时间, 冷藏保温箱由环境温度降到0℃的降温时间计算结果与实验结果相比, 最大误差为6.93%, 平均误差为5.77%;冷藏保温箱从2℃到0℃的降温时间计算值与实验值的最大误差为6.15%, 平均误差为5.28%, 模型精度较高。

(2) 随送风量的增加, 冷藏保温箱降温时间缩短, 降温时间的减小幅度也越来越小。高环境温度下, 送风量大于0.021m3/s, 降温时间减小幅度明显减小。

(3) 送风量为0.021m3/s, 30℃下冷藏保温箱空箱从环境温度降到0℃的降温时间约78min, 从2℃到0℃的降温时间约28min。综合考虑降温时间和初投资, 送风量选择0.021m3/s比较合适。

(4) 门封右边测点4#、5#、6#、7#、8#处温度与环境温度相差很小, 密封性良好, 门封左边测点1#、2#、3#、9#、10#、11#、12#处温度与环境温度相差很大, 门封四周密封不均匀。门封测点12#处温度最低, 环境温度在10、20、30℃下, 其结露临界相对湿度分别为64.4%、64.9%、52.1%, 冷藏保温箱应加强门封密闭均匀性的设计工作。

(5) 冷藏保温箱漏热系数为0.443 W/ (m2·℃) , 低于国际标准的规定, 箱体门封漏热率为7.45%。